Particelle ed Interazioni fondamentali Fermione. Particella a spin semintero, che obbedisce alla statistica di Fermi-Dirac, cioè due fermioni con gli stessi numeri quantici non possono coesistere in uno stato simmetrico. Bosone. Particella a spin intero, che obbedisce alla statistica di Bose-Einstein, che è opposta a quella di Fermi-Dirac. Adrone. Particella soggetta ad interazione forte. Tra gli adroni figurano i mesoni (bosoni costituiti da un quark ed un antiquark) ed i barioni (fermioni, costituiti da 3 quark o da 3 antiquark). Questa definizione sarebbe un po obsoleta perché oggi i veri adroni elementari sono i quark. Barioni e numero barionico. Barione significa particella pesante. A queste particelle si associa il numero barionico, che vale +1 per un barione e -1 per un antibarione. Mesone. Il nome significa: particella con massa intermedia (tra quella dell elettrone e quella del protone). Questa proprietà è valida solo per alcuni mesoni, ma non per tutti. I mesoni sono adroni a spin intero o nullo. Quark di valenza. Uno dei quark o antiquark
effettivamente costituenti che determinano le proprietà di un adrone. Quark del mare. Oltre ai quark di valenza un adrone hanno successive annichilazioni, il che porta ad una popolazione fluttuante di quark, detti quark del mare. contiene un popolazione di altri quark. Il campo di colore della forza forte è propagato da gluoni con creazione di coppie quark-antiquark virtuali cioè che possono apparire entro un tempo sufficiente breve compatibile col principio di indeterminazione e poi hanno successive annichilazioni, il che porta ad una popolazione fluttuante di quark, detti appunto quark del mare. Sapore. Individua il tipo di quark. Si hanno 6 sapori: u (up), d (down), s (strano), c (charm), b (beauty o bottom), t (truth o top). I quark con sapore u, d, s sono detti leggeri. I 6 quark si possono raggruppare in 3 famiglie: (u,d), (c,s) e (t,b). Naturalmente esistono anche gli anti quark che hanno sapore di segno opposto. Il colore. Proprietà dei quark, che viene indicata con i colori: rosso (R), verde (green, G) e blue (B). Ad ogni colore corrisponde un anticolore (dato dal suo colore complementare): antirosso (ciano), antiverde (magenta) e antiblu (giallo). Il colore è la sorgente del campo dell interazione forte e corrisponde alla carica elettrica per i campi elettromagnetici.
Singoletto di colore. Si ha nel caso degli adroni, che sono ottenuti da quark con combinazioni di colore tali da dare un oggetto senza colore. Questo si ottiene con i 3 colori (B,G,R) o i loro 3 anticolori nei barioni e con uno dei colori associato al suo anticolore nei mesoni. I sistemi microscopici osservabili in natura sono soltanto singoletti di colore Tripletto di colore. I quark avendo uno dei tre colori, costituiscono un tripletto di colore. Ottetto di colore. I gluoni sono portatori di colore, facendo cambiare il colore ad un quark che lo emette o lo assorbe. Si hanno 9 combinazioni indipendenti dei colori e degli anticolori. Una delle combinazioni, essendo simmetrica rispetto ai diversi colori ed anticolori, non può essere utilizzata per individuare un portatore di colore. Le altre 8 combinazioni costituiscono un ottetto dei gluoni. Leptone. Particella, con o senza carica elettrica (i neutrini), che non è sensibile all interazione forte. Il nome dovrebbe indicare una particella leggera, il che non si verifica per il leptone τ che ha una massa di 1777 MeV/c 2. I leptoni sono particelle elementari e non si è osservata una sottostruttura; cioè possono essere considerati puntiformi. Interazione. Indica la possibilità di uno scambio di
momento (impulso) e di energia tra particelle e la creazione di coppie di particelle o la loro annichilazione. Campo. Funzione a una o più componenti dello spazio e del tempo. Descrive le interazioni tra le particelle e ne determina le proprietà. Particelle reali e virtuali. Una particella con massa M, momento P, energia totale E è detta reale se soddisfa alla relazione: E = (M 2 c 4 +p 2 c 2 ) (Conservazione dell energia in forma relativistica - c è la velocità della luce). Altrimenti è una particella virtuale, che per il principio di indeterminazione (E.th/2) può esistere per un tempo limitato. Interazione elettromagnetica. Interazione tra un campo elettromagnetico e particelle con carica elettrica o con una struttura elettrica. Genera: - Le forze elettriche e magnetiche. - L assorbimento e l emissione di fotoni. - La creazione e l annichilazione di coppie particellaantiparticella. Quanto Elettro Dinamica (QED). Teoria quantorelativistica per particelle cariche in un campo elettromagnetico, generato per emissione e assorbimento di fotoni virtuali.
Interazione debole. Agisce sia sui quark che sui leptoni. E mediata da bosoni di massa elevata: W +, Z, W -. Non porta a stati legati. E responsabile del decadimento di molte particelle, che altrimenti sarebbero stabili. Questo è dovuto alla non conservazione della parità e del sapore dei quark. Interazione forte. Si manifesta nell interazione tra i quark all interno degli adroni, tra adroni e in processi di decadimento di adroni o di sistemi di adroni. Questo tipo di interazione viene descritta nella Quanto-Cromo Dinamica (QCD) in termini di campo generato dalle cariche di colore e propagato dai gluoni. Interazione debole ed elettromagnetica ad alte energie. La reazione e + + e - + + -, dalla soglia fino a circa 10 GeV, è dovuta a scambio di fotoni, poi lo scambio di Z diviene gradualmente più importante, è dominante ad energie corrispondenti alla massa della Z (90 GeV). Infine ad energie superiori si hanno contributi simili per lo scambio di fotoni e Z.Le due interazioni sono pertanto simili ad alte energie. Interazione elettrodebole. I bosoni W + e W permettono la trasformazione di un leptone in un neutrino della stessa famiglia. I bosoni neutri, Z e gamma, producono coppie fermione-antifermione. Il gamma non interagisce con neutrini. Forze nucleari o forti. Si osservano nei fenomeni di
urto tra nucleoni liberi e negli stati di nucleoni legati nei nuclei. Possono essere valutate nell ambito di un modello alla Yukawa: campo determinato dall emissione di mesoni (essenzialmente pioni) virtuali. Questo tipo di interazione può essere ricondotta all interazione forte descritta dalla QCD (Cromodinamica quantistica), cioè il campo generato dalle cariche di colore e trasmesso dai gluoni. Per effetto del confinamento negli adroni dei quark, portatori di colore, l interazione forte viene trasmessa all esterno tramite particelle prive di colore (mesoni virtuali). Trasformazioni e leggi di conservazione. Consideriamo una trasformazione determinata da un cambiamento nel sistema di riferimento. Un sistema fisico o un fenomeno che è invariante rispetto ad una certa trasformazione possiede una simmetria. Un invarianza porta ad una legge di conservazione: Leggi di conservazione. Alcune di queste leggi erano già state individuate in fisica classica per i sistemi macroscopici. Conservazione dell energia, del momento, del momento angolare totale, della carica elettrica. Anche la conservazione della parità può essere verificata nei fenomeni macroscopici. Altre leggi di conservazione sono state individuate nei fenomeni microscopici: per il sapore ed il numero dei quark, dei numeri barionico e leptonici. Non per tutte le interazioni valgono tutte queste leggi di
conservazione.